Producción de precursores de carburantes de aviación mediante condensación aldólica de furfural y metil-isobutil-cetona con catalizadores zr-mof con propiedades mejoradas

Resum

La valorización de residuos de biomasa para la producción de moléculas de interés industrial es uno de los pilares de la Economía Circular (orientada a la sostenibilidad y al residuo ‘cero’). Si se consigue transformar estos residuos de biomasa lignocelulósica (no competitivos con la biomasa destinada a la alimentación) en bioqueroseno de aviación, sería posible reducir la huella de carbono de este combustible atendiendo al balance neutro de carbono (un residuo lignocelulósico captura aproximadamente la misma cantidad de CO2 para su desarrollo vegetal, que la que desprende en el proceso de su combustión como vector energético o biocombustible) a la vez que se reduce en gran medida la huella de carbono de los combustibles tradicionales. Para poder llevar a cabo esta solución medioambientalmente beneficiosa es necesario recurrir a la transformación de moléculas de bajo número de carbono derivadas de los azúcares de la biomasa: celulosa (C6) y hemicelulosa (C5). El queroseno de referencia en Europa, jet fuel A1, posee porcentajes mayoritarios de alcanos ramificados de entre 9 y 13 átomos de carbono, por lo que si se utilizan los precursores de azúcares de 5-6 carbonos es necesario acudir a procesos de alargamiento de las cadenas para dar lugar a productos en el rango de longitud de cadena hidrocarbonada requerido. Una de las moléculas procedentes de la biomasa celulósica con mayor potencial actualmente es el furfural (C5), que actualmente ya cuenta con procesos de producción validados y optimizados. Sin embargo, por si solo el furfural es insuficiente para producir bioqueroseno, siendo necesario recurrir a otra molécula, de origen renovable, para alcanzar el rango óptimo de átomos de carbono. Dicha molécula adicional puede ser una cetona, lo que permitiría la unión al furfural mediante un proceso de condensación aldólica, para el que se necesita el uso de catalizadores. Uno de los mejores candidatos para dicha cetona es la metil-isobutilcetona o MIBK (C6), un disolvente industrial ampliamente conocido que puede obtenerse fácilmente de la dimerización de la acetona (molécula que a su vez puede tener un origen renovable o residual en multitud de procesos industriales). Para producir esta unión y establecer las bases para un potencial escalado del proceso es necesario que el procedimiento catalítico seleccionado esté basado en catalizadores heterogéneos estables, reutilizables y, por tanto, fácilmente recuperables. La reacción de condensación aldólica ofrece la posibilidad de unión entre un aldehído (furfural) y una cetona (metil-isobutilcetona), dando lugar en este caso a un aducto de condensación de 11 carbonos (FuMe). Este aducto cuenta con insaturaciones y oxígenos aún enlazados a su estructura y deberá ser tratado en un proceso de hidrodesoxigenación (HDO) antes de poder ser utilizado como bioqueroseno. La presente Tesis Doctoral consta de 4 capítulos que se corresponden con 4 aproximaciones catalíticas distintas para mejorar el actual estado del arte de la reacción de condensación aldólica entre furfural y MIBK, estableciendo las bases para la viabilidad técnica y comercial de la producción de bioqueroseno a partir de moléculas derivadas de la biomasa lignocelulósica. Para ello, se ha recurrido a: 1) el estudio de materiales basados en zirconio y su comparación con catalizadores comerciales disponibles; 2) la optimización de las condiciones de reacción mediante la metodología de diseño de experimentos; 3) la mejora de las propiedades catalíticas del MOF UiO-66(Zr) a través de modulación en las propiedades físicas del catalizador, empleando ácidos de diferente naturaleza durante el proceso de síntesis y 4) el uso de nuevos catalizadores híbridos MOF-sílice basados en el MOF de zirconio MOF-808(Zr) soportado sobre diferentes estructuras silíceas, con propiedades mejoradas en términos de accesibilidad y estabilidad de la fase catalítica. En todos los casos, la reacción estudiada es la mencionada condensación aldólica de furfural y MIBK llevada a cabo en fase líquida y en reactor discontinuo.